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DE102017124811A1 - Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems - Google Patents

Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems Download PDF

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DE102017124811A1
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refrigerant
heat exchanger
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heat
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Christoph Bara
Navid Durrani
Martin Hötzel
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Hanon Systems Corp
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Hanon Systems Corp
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b, 2c). Der Kältemittelkreislauf (2a, 2b, 2c) weist einen Verdichter (3), einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein erstes Expansionsorgan (5) sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum, einen inneren Wärmeübertrager (7) sowie einen ersten Strömungspfad (9) und einen zweiten Strömungspfad (16) auf. Der erste Strömungspfad (9) erstreckt sich von einer an einem Austritt des Verdichters (3) ausgebildeten Abzweigstelle (10) bis zu einer zwischen dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) und dem inneren Wärmeübertrager (7) ausgebildeten Verbindungsstelle (11). Der zweite Strömungspfad (16) erstreckt sich von einer zwischen der Abzweigstelle (10) und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) ausgebildeten Verbindungsstelle (17a, 17b) bis zu einer in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter (3) ausgebildeten Mündungsstelle (18). Der innere Wärmeübertrager (7) ist einerseits innerhalb des ersten Strömungspfades (9) und andererseits zwischen der Verbindungsstelle (11) des ersten Strömungspfades (9) und der Mündungsstelle (18) des zweiten Strömungspfades (16) angeordnet.
Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein erstes Expansionsorgan sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum, einen inneren Wärmeübertrager sowie einen ersten und einen zweiten Strömungspfad auf.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems, insbesondere des Kältemittelkreislaufs.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des im Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erzeugen nicht genug Abwärme, um insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Luft des Fahrgastraums den Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend zu beheizen beziehungsweise das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau zu erreichen und den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb.
  • Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ bezeichnet, oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Gleiches gilt für Anlagen in rein elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen beziehungsweise Brennstoffzellenfahrzeugen. Eine effizientere Möglichkeit zur Beheizung der Luft für den Fahrgastraum stellt ein Klimatisierungssystem mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktion, auch als eine Wärmepumpe bezeichnet, mit Luft als Wärmequelle dar, bei welchem der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient. Der Kältemittelkreislauf beansprucht dabei deutlich mehr Bauraum, als ein zum reinen Abkühlen der Luft ausgebildeter Kältemittelkreislauf in Kombination mit einer elektrischen Widerstandsheizung.
  • Ein Klimatisierungssystem mit nachgeschalteter elektrischer Widerstandsheizung ist zum einen kostengünstig herzustellen und ist in beliebigen Kraftfahrzeugen zu verwenden, weist jedoch einen sehr großen Bedarf an elektrischer Energie auf, da die Zuluft für den Fahrgastraum beim Überströmen eines Verdampfers des Kältemittelkreislaufs zunächst abgekühlt und/oder entfeuchtet sowie anschließend mittels der elektrischen Widerstandsheizung, welche die Wärme direkt an die Zuluft oder einen Kühlmittelkreislauf überträgt, erwärmt wird.
  • Der Betrieb eines als Wärmepumpe zu betreibenden herkömmlichen Kältemittelkreislaufs ist zwar effizient, benötigt jedoch sehr viel Bauraum, auch an Positionen innerhalb des Kraftfahrzeugs, welche keine Bauraumvorhaltung für die Klimatisierung aufweisen.
  • Allen Klimatisierungssystemen von Kraftfahrzeugen mit einem als Wärmepumpe zu betreibenden Kältemittelkreislauf ist zu eigen, dass bei einem Betrieb im Kälteanlagenmodus die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum oder einem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise zum Temperieren elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs, wie der Traktionsbatterie, aufgenommen wird. In einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager wird die bei der Verdampfung aufgenommene Wärme auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben. Bei einem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus wird die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärme aus einer Abwärmequelle, wie der Umgebungsluft oder dem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise zum Temperieren elektrischer Komponenten des Antriebsstranges, aufgenommen. In einem als sogenannten Innenraum- oder Fahrgastraum-Kondensator/Gaskühler angeordneten Wärmeübertrager wird die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau an die Zuluft des Fahrgastraums abgegeben.
  • Aus der DE 10 2006 026 359 A1 und der DE 10 2012 111 672 A1 geht jeweils ein Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs hervor. Der Kältemittelkreislauf ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildet und weist einen Verdichter, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, ein erstes Expansionsorgan sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und ein sich in Strömungsrichtung des Kältemittels daran anschließendes zweites Expansionsorgan auf.
  • Zum Stand der Technik gehörende Luft-Luft-Wärmepumpen, die für den kombinierten Kälteanlagenmodus und Wärmepumpenmodus, das heißt für einen Heizmodus, sowie für einen Nachheizmodus, auch als Reheat-Betrieb bezeichnet, ausgebildet sind, nehmen die Wärme aus der Umgebungsluft auf. Dabei wird das Kältemittel durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft verdampft, welche in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager entweder direkt oder in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und damit indirekt an das Kältemittel übertragen wird. Die Umgebungsluft dient folglich als Wärmequelle für die Verdampfung des Kältemittels. Die Leistung und Effizienz des Systems ist insbesondere davon abhängig, wie viel Wärme auf welchem Temperaturniveau zur Verdampfung des Kältemittels zur Verfügung steht.
  • Die herkömmlichen Luft-Luft-Wärmepumpen weisen neben dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft, einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum auf. Die Leistungen werden jeweils zwischen dem Kältemittel und Luft übertragen.
  • Im sogenannten „Reheat“- beziehungsweise Nachheizmodus wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend geringfügig wieder aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.
  • Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft der Luft-Luft-Wärmepumpe, auch als Umgebungswärmeübertrager bezeichnet, ist dabei außerhalb des Gehäuses des Klimatisierungssystems, speziell außerhalb des Klimagerätes, an der Frontseite des Kraftfahrzeugs angeordnet und wird insbesondere durch den Fahrtwind mit Luft beaufschlagt. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus wird der Umgebungswärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebungsluft und beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus als Verdampfer zur Wärmeaufnahme vom Kältemittel aus der Umgebungsluft betrieben.
  • Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus und Umgebungsluft als Wärmequelle besteht bei Temperaturen der Luft im Bereich von 0°C und unterhalb von 0°C die Gefahr des Vereisens der Wärmeübertragungsfläche des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers, was die Leistung des Wärmeübertragers begrenzt. Als Folge der Aufnahme der Wärme aus der Luft steigt die relative Luftfeuchtigkeit der abgekühlten Luft an. Beim Unterschreiten der Taupunkttemperatur wird der in der Luft vorhandene Wasserdampf auskondensiert und als Wasser an der Wärmeübertragungsfläche abgeschieden. Das an der Wärmeübertragungsfläche aus der Luft auskondensierte Wasser wird bei Oberflächentemperaturen im Bereich von 0°C und unterhalb von 0°C zu Eis erstarren. Die zunehmende Eisschicht verringert die luftseitige Wärmeübertragungsfläche sowie den luftseitigen Wärmeübergang und damit die übertragbare Leistung zwischen der Luft und dem verdampfenden Kältemittel, was zu einer Verringerung der Effizienz des gesamten Klimatisierungssystems führt. Üblicherweise ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der in den Umgebungswärmeübertrager eintretenden Luft und der Temperatur des Kältemittels begrenzt, was wiederum die maximal aus der Umgebungsluft aufnehmbare Wärme einschränkt.
  • Infolge der notwendigen Vermeidung einer Vereisung der Wärmeübertragungsfläche des Umgebungswärmeübertragers ist es bei Temperaturen der Luft im Bereich von 0°C und unterhalb von 0°C auch bei als Luft-Luft-Wärmepumpen ausgebildeten Klimatisierungssystemen nicht möglich, den Fahrgastraum ausreichend zu beheizen, wenn ausschließlich die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt wird, sodass Zuheizmaßnahmen erforderlich sind. In Betracht kommende elektrische Widerstandsheizungen sind nicht energieeffizient und werden zudem nur selten in Betrieb genommen.
  • Beim Kaltstart des Kraftfahrzeugs besteht zudem die Möglichkeit, auch bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft die Heizleistung durch den Betrieb des Kältemittelkreislaufs im sogenannten Dreiecksprozess, auch als Heißgasmodus bezeichnet, deutlich zu erhöhen. Dabei werden mit dem Verdichter, einem zum Beheizen der Zuluft für den Fahrgastraum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager und einem Expansionsorgan im Wesentlichen lediglich drei Komponenten des Kältemittelkreislaufs mit Kältemittel beaufschlagt. 1a zeigt die Zustandsänderungen des Kältemittels beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Dreiecksprozess in einem logarithmischen Druck (p) - Enthalpie (h) - Diagramm. Mit dem Umwälzen des Kältemittels im Kältemittelkreislauf dienenden Verdichter wird das Druckniveau des Kältemittels erhöht A, wobei das Kältemittel die im Verdichter entstehende Wärme aufnimmt. Beim Durchströmen des in Strömungsrichtung dem Verdichter nachfolgend angeordneten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers wird die Wärme auf einem Hochdruckniveau an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen B. Nach dem Austreten aus dem Kondensator/Gaskühler wird das Kältemittel im Expansionsorgan auf ein Niederdruckniveau expandiert C und vom Verdichter angesaugt. Mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Dreiecksprozess beziehungsweise im Heißgasmodus kann die Zuluft des Fahrgastraums mit ähnlicher Effizienz erwärmt werden, wie mit einer elektrischen Widerstandsheizung, ohne dabei jedoch auf zusätzliche Komponenten angewiesen zu sein.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Betriebsmodi eines Kältemittelkreislaufs in einem Dreiecksprozess wird auf der Niederdruckseite kein Wärmeübertrager mit Kältemittel beaufschlagt, sodass saugseitig kein definiertes Temperaturniveau vorgegeben ist, welches den Saugdruck bestimmt. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs in anderen Betriebsmodi wird das Druckniveau des Kältemittels durch das sich einstellende Temperaturniveau des saugseitigen Wärmeübertragers definiert. So wird beispielsweise beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus die Zuluft für den Fahrgastraum im Verdampfer auf 3°C abgekühlt, wobei das Kältemittel bei einer Temperatur von 1°C verdampft, welche im sogenannten Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels einem bestimmten Druck zugeordnet ist.
  • Da während des Betriebs des Kältemittelkreislaufs im Dreiecksprozess auf der Niederdruckseite kein Temperaturniveau und damit auch kein Druckniveau vorgegeben ist, sinkt insbesondere während des Kaltstarts des Kraftfahrzeugs der Saugdruck ps gemäß 1a sehr stark ab, was das Risiko für einen Schaden des Verdichters, zum Beispiel durch Flüssigkeitsschläge, erhöht. Aus diesem Grund ist die Leistung des Verdichters zu begrenzen, was jedoch ebenso zu einer reduzierten Gesamtleistung des Klimatisierungssystems führt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Wärmepumpenfunktionalität bereitzustellen, welches sowohl im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus als auch im Nachheizmodus effizient betrieben werden kann. Dabei soll die Umgebungsluft je nach Betriebsmodus sowohl als Wärmequelle, beispielsweise beim Betrieb im Wärmepumpenmodus, als auch als Wärmesenke, beispielsweise beim Betrieb im Kälteanlagenmodus dienen. Das Klimatisierungssystem soll dabei mit einer minimal notwendigen Anzahl an Komponenten konstruktiv einfach aufgebaut sein, insbesondere ohne Zuheizmaßnahmen, um lediglich minimale Betriebskosten, Herstellungskosten und Wartungskosten zu verursachen sowie einen minimalen Bauraumbedarf aufzuweisen. Der Kältemittelkreislauf soll zudem derart ausgebildet sein, beim Kaltstart des Kraftfahrzeugs mit maximaler Leistung zu heizen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände und Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf gelöst. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein erstes Expansionsorgan, einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum, einen inneren Wärmeübertrager sowie einen ersten und einen zweiten Strömungspfad auf. Der erste Strömungspfad erstreckt sich von einer an einem Austritt des Verdichters ausgebildeten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem inneren Wärmeübertrager ausgebildeten Verbindungsstelle. Der zweite Strömungspfad erstreckt sich von einer zwischen der Abzweigstelle des ersten Strömungspfades und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Verbindungsstelle bis zu einer in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter ausgebildeten Mündungsstelle.
  • Nach der Konzeption der Erfindung ist der innere Wärmeübertrager einerseits innerhalb des ersten Strömungspfades und andererseits zwischen der Verbindungsstelle des ersten Strömungspfades und der Mündungsstelle des zweiten Strömungspfades angeordnet.
  • Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient.
  • Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und/oder der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sind/ist vorteilhaft als Verdampfer und als Kondensator/Gaskühler für das Kältemittel betreibbar ausgebildet.
  • Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und/oder der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und/oder das erste Expansionsorgan ist/sind bevorzugt vom Kältemittel bidirektional durchströmbar ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Strömungspfad einen Wärmeübertrager auf, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Strömungspfad vor dem inneren Wärmeübertrager angeordnet ist. Der Wärmeübertrager ist bevorzugt als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet. Dabei weist der Kühlmittelkreislauf zudem einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf, welcher innerhalb eines mit Zuluft für den Fahrgastraum durchströmbaren Klimagerätes angeordnet ist. Zudem ist innerhalb des mit Zuluft für den Fahrgastraum durchströmbaren Klimagerätes vorteilhaft auch der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs angeordnet, wobei der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs in Strömungsrichtung der Zuluft nacheinander mit Zuluft beaufschlagbar sind.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des ersten Strömungspfades ein zweites Expansionsorgan ausgebildet, welches in Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Strömungspfad nach dem inneren Wärmeübertrager angeordnet ist. Der erste Strömungspfad weist vorteilhaft zudem ein Ventil, insbesondere ein als ein Absperrventil ausgebildetes Ventil, auf.
  • Innerhalb des zweiten Strömungspfades ist bevorzugt ein Ventil, insbesondere ein als ein Absperrventil ausgebildetes Ventil, vorgesehen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Kältemittelkreislauf ein Ventil, insbesondere ein als ein Absperrventil ausgebildetes Ventil, aufweist, welches zwischen der Abzweigstelle des ersten Strömungspfades und der Verbindungsstelle des zweiten Strömungspfades angeordnet ist.
  • Von Vorteil ist auch, dass der Kältemittelkreislauf ein Ventil, insbesondere ein als ein Absperrventil ausgebildetes Ventil, aufweist, welches zwischen der Verbindungsstelle des ersten Strömungspfades und dem inneren Wärmeübertrager ausgebildet ist.
  • Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen dritten Strömungspfad auf, welcher sich von einer Abzweigstelle bis zur Verbindungsstelle des zweiten Strömungspfades erstreckt. Dabei ist die Abzweigstelle innerhalb des ersten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Strömungspfad nach dem inneren Wärmeübertrager, insbesondere zwischen dem inneren Wärmeübertrager und dem zweiten Expansionsorgan, ausgebildet.
  • Innerhalb des dritten Strömungspfades ist vorteilhaft ein Ventil, insbesondere ein als ein Absperrventil ausgebildetes Ventil, angeordnet.
  • Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen dritten Strömungspfad sowie einen vierten Strömungspfad auf.
  • Der dritte Strömungspfad erstreckt sich von einer zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem ersten Expansionsorgan ausgebildeten Abzweigstelle bis zu einer innerhalb des ersten Strömungspfades zwischen dem vor dem inneren Wärmeübertrager angeordneten Wärmeübertrager und dem inneren Wärmeübertrager ausgebildeten Mündungsstelle. Innerhalb des dritten Strömungspfades ist bevorzugt ein Rückschlagelement, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet.
  • Der vierte Strömungspfad erstreckt sich von einer zwischen dem ersten Expansionsorgan und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem inneren Wärmeübertrager und der Verbindungsstelle des ersten Strömungspfades, insbesondere zwischen dem inneren Wärmeübertrager und dem dem inneren Wärmeübertrager vorgelagerten Ventil, ausgebildeten Mündungsstelle. Innerhalb des vierten Strömungspfades ist vorteilhaft ein Ventil, insbesondere ein als ein Absperrventil ausgebildetes Ventil, vorgesehen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Kältemittelkreislauf einen fünften Strömungspfad aufweist. Der fünfte Strömungspfad erstreckt sich dabei von einer zwischen der Verbindungsstelle des ersten Strömungspfades und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Abzweigstelle bis zu einer zwischen der Mündungsstelle des zweiten Strömungspfades und dem Verdichter ausgebildeten Mündungsstelle.
  • Der fünfte Strömungspfad weist bevorzugt einen als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager sowie ein dem Wärmeübertrager vorgelagert angeordnetes drittes Expansionsorgan auf. Der als Verdampfer betreibbare Wärmeübertrager des fünften Strömungspfades ist vorteilhaft als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist innerhalb des Kältemittelkreislaufs in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter ein Akkumulator als Kältemittelspeicher angeordnet.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus, in einem Nachheizmodus und in einem Heißgasmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrgastraums gelöst.
  • Der Kälteanlagenmodus dient vor allem dem Kühlen, der Wärmepumpenmodus sowie der Heißgasmodus dem Erwärmen und der Nachheizmodus dem Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie dem Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums.
  • Ein Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems weist beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums folgende Schritte auf:
    • - Leiten eines aus einem Verdichter ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Strömungspfad und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird,
    • - Übertragen der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager,
    • - Leiten des aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch eine Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel Wärme abgibt,
    • - Leiten des aus der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers austretenden Kältemittels durch einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel an Umgebungsluft übertragen wird,
    • - Leiten des aus dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch ein erstes Expansionsorgan, wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird,
    • - Leiten des aus dem ersten Expansionsorgan austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, wobei Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird,
    • - Leiten des aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch eine Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel Wärme aufnimmt, und
    • - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter.
  • Ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems weist beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums folgende Schritte auf:
    • - Aufteilen eines aus einem Verdichter ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau in
      • - einen ersten Teilmassenstrom durch einen ersten Strömungspfad sowie einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird, und
      • - einen zweiten Teilmassenstrom durch einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel an Umgebungsluft übertragen wird,
    • - Übertragen der vom Kühlmittel im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager aufgenommenen Wärme an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager,
    • - Vermischen der parallel durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager strömenden Teilmassenströme des Kältemittels,
    • - Leiten des vermischten Kältemittels durch eine Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel Wärme abgibt,
    • - Leiten des aus der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers austretenden Kältemittels durch ein Expansionsorgan, wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird,
    • - Leiten des aus dem Expansionsorgan austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, wobei Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird,
    • - Leiten des aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch eine Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel Wärme aufnimmt, und
    • - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das auf Niederdruckniveau entspannte Kältemittel an einer Abzweigstelle in einen ersten Teilmassenstrom durch einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und einen zweiten Teilmassenstrom durch den als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers aufgeteilt. Dabei nimmt das Kältemittel beim parallelen Durchströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers sowie des inneren Wärmeübertragers und des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers jeweils Wärme auf. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden vor dem Ansaugen durch den Verdichter vermischt.
  • Ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems weist beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums folgende Schritte auf:
    • - Leiten eines aus einem Verdichter ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Strömungspfad und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird,
    • - Übertragen der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager,
    • - Leiten des aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch ein zweites Expansionsorgan, wobei das Kältemittel auf ein Mitteldruckniveau entspannt wird,
    • - Leiten des aus dem zweiten Expansionsorgan austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, wobei Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird,
    • - Leiten des aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch ein erstes Expansionsorgan, wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird,
    • - Leiten des aus dem ersten Expansionsorgan austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, wobei Wärme von der Umgebungsluft an das Kältemittel übertragen wird, und
    • - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das auf Mitteldruckniveau entspannte Kältemittel an einer Abzweigstelle in einen ersten Teilmassenstrom durch einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und einen zweiten Teilmassenstrom durch den als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager aufgeteilt. Dabei wird der erste Teilmassenstrom des Kältemittels beim Durchströmen eines Expansionsorgans auf Niederdruckniveau entspannt, das Kältemittel nimmt beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers Wärme auf und die Teilmassenströme des Kältemittels werden vor dem Ansaugen durch den Verdichter vermischt.
  • Ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems weist beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Heißgasmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums folgende Schritte auf:
    • - Leiten eines aus einem Verdichter ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Strömungspfad und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird,
    • - Übertragen der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager,
    • - Leiten des aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch eine Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel Wärme abgibt,
    • - Leiten des aus der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers austretenden Kältemittels durch ein zweites Expansionsorgan, wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird,
    • - Leiten des aus dem zweiten Expansionsorgan austretenden Kältemittels durch eine Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel Wärme aufnimmt, und
    • - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das auf Niederdruckniveau entspannte Kältemittel an einer Abzweigstelle in einen ersten Teilmassenstrom durch einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und einen zweiten Teilmassenstrom durch die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers aufgeteilt. Dabei nimmt das Kältemittel beim parallelen Durchströmen des inneren Wärmeübertragers und des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers jeweils Wärme auf. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden vor dem Ansaugen durch den Verdichter vermischt.
  • Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems von Elektrofahrzeugen, Fahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb, rein elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen beziehungsweise Brennstoffzellenfahrzeugen und speziell hocheffizienten verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftahrzeugen weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - Klimatisieren, insbesondere Kühlen, Entfeuchten und/oder Heizen der Zuluft des Fahrgastraums mit minimalem Energieeinsatz,
    • - erhöhte Leistungsfähigkeit und Effizienz mit größerer Heizleistung durch Einsetzen des inneren Wärmeübertragers, da durch einen höheren Saugdruck auch die Saugdichte und damit der Massenstrom des Kältemittels höher sind, als bei einem Betrieb ohne inneren Wärmeübertrager,
    • - erhöhte Lebensdauer, da auch eine Schädigung des Verdichters durch einen zu geringen Saugdruck vermieden wird,
    • - Bereitstellen eines ausreichenden Komforts innerhalb des Fahrgastraums, insbesondere beim Betrieb im Heißgasmodus bei geringen Temperaturen der Umgebungsluft, welcher bei einem Betrieb im reinen Wärmepumpenmodus nicht erreicht wird,
    • - Kältemittelkreislauf, welcher zum Einsatz in bekannten Schemata und vorhandenen Bauräumen bestehender Kraftfahrzeuge integrierbar ist, sowie
    • - minimale Betriebskosten, Herstellungskosten und Wartungskosten auch durch Verzicht auf zusätzliche Komponenten, wie elektrische Widerstandsheizungen.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, in welchen Klimatisierungssysteme jeweils mit einem Kältemittelkreislauf, aufweisend einen Verdichter, einen ersten und einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, ein erstes und ein zweites Expansionsorgan sowie einen inneren Wärmeübertrager, dargestellt sind. Es zeigen
    • 1b: ein log p-h-Diagramm 1a mit Zustandsänderungen des Kältemittels beim Betrieb eines Kältemittelkreislaufs mit innerem Wärmeübertrager im Heißgasmodus,
    • 2a bis 2d: eine Ausführungsform eines ersten Kältemittelkreislaufs in verschiedenen Betriebsmodi,
    • 3a bis 3d: eine Ausführungsform eines zweiten Kältemittelkreislaufs in verschiedenen Betriebsmodi sowie
    • 4: eine Ausführungsform eines dritten Kältemittelkreislaufs.
  • In 1b ist ein log p-h-Diagramm mit Zustandsänderungen des Kältemittels beim Betrieb im Heißgasmodus eines transkritisch betriebenen Kältemittelkreislaufs mit einem inneren Wärmeübertrager zum Stabilisieren des Saugdruckniveaus dargestellt.
  • Mit dem Einsatz des inneren Wärmeübertragers im Kältemittelkreislauf, neben dem Verdichter, dem zum Beheizen der Zuluft für den Fahrgastraum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan, wird der Heißgasmodus mit einem bestimmten Niedertemperaturniveau und damit einem definierten Saugdruck betrieben. Mit dem Verdichter wird wiederum das Druckniveau des Kältemittels erhöht A, wobei das Kältemittel die im Verdichter entstehende Wärme aufnimmt. Beim Durchströmen des in Strömungsrichtung dem Verdichter nachfolgend angeordneten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers wird die Wärme auf einem Hochdruckniveau an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen B. Nach der Wärmeabgabe an die Zuluft strömt das Kältemittel durch die Hochdruckseite HD des inneren Wärmeübertragers und wird weiter abgekühlt D1. Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager wird das Kältemittel im Expansionsorgan auf ein Niederdruckniveau in das Zwei-Phasengebiet expandiert C. Anschließend strömt das Kältemittel durch die Niederdruckseite ND des inneren Wärmeübertragers und nimmt beim Verdampfen der flüssigen Phase Wärme von der Hochdruckseite HD des inneren Wärmeübertragers auf D2. Das gasförmige Kältemittel wird vom Verdichter angesaugt.
  • Mit der kreislaufinternen Wärmeübertragung innerhalb des inneren Wärmeübertragers wird auf der Niederdruckseite beziehungsweise der Saugseite des Kältemittelkreislaufs ein Temperaturniveau und damit ein dazugehöriges Druckniveau definiert.
  • Mit der Erweiterung des Kältemittelkreislaufs und gleichfalls des Betriebs im Heißgasmodus ist es möglich, auch bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft beim Kaltstart des Kraftfahrzeugs, wenn beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus nicht ausreichend Leistung zu Verfügung steht, beispielsweise wegen der Vermeidung von Vereisung der Wärmeübertragerfläche des Umgebungswärmeübertragers, eine ausreichend hohe Leistung zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum bereitzustellen und somit die Anforderungen des thermischen Komforts ohne eine zusätzliche elektrische Widerstandsheizung zu erfüllen.
  • Mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Heißgasmodus kann die Zuluft des Fahrgastraums mit ähnlicher Effizienz erwärmt werden, wie mit einer elektrischen Widerstandsheizung, ohne dabei jedoch auf zusätzliche Komponenten angewiesen zu sein. Gleichzeitig wird das Risiko, den Verdichter durch zu geringe Saugdrücke zu beschädigen, minimiert.
  • Aus den 2a bis 2d geht ein Klimatisierungssystem 1a mit einem Kältemittelkreislauf 2a hervor. Der Kältemittelkreislauf 2a weist einen Verdichter 3, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein erstes Expansionsorgan 5, einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie einen inneren Wärmeübertrager 7 auf. Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, 6 und das erste Expansionsorgan 5 sind bidirektional von Kältemittel durchströmbar. Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, 6 können jeweils als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler für das Kältemittel betrieben werden.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a weist zudem einen Akkumulator 8 zum Abscheiden und Sammeln von Kältemittelflüssigkeit auf, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 3 und damit zwischen dem inneren Wärmeübertrager 7 und dem Verdichter 3 niederdruckseitig angeordnet ist. Der Verdichter 3 saugt gasförmiges Kältemittel aus dem Akkumulator 8 an.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a ist mit einem ersten Strömungspfad 9 ausgebildet, welcher sich ausgehend von einer Abzweigstelle 10 bis zu einer Verbindungsstelle 11 erstreckt. Die Abzweigstelle 10 ist in Strömungsrichtung des Kältemittels direkt am beziehungsweise nach dem Austritt aus dem Verdichter 3 angeordnet. Die Verbindungsstelle 11 des ersten Strömungspfades 9 ist dabei zwischen dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und dem inneren Wärmeübertrager 7, speziell dem Einlass der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7, ausgebildet.
  • Innerhalb des ersten Strömungspfades 9 sind ein Ventil 12, im Weiteren auch als erstes Absperrventil 12 bezeichnet, ein insbesondere als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeter Wärmeübertrager 13, der innere Wärmeübertrager 7, speziell die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7, sowie ein zweites Expansionsorgan 14 angeordnet.
  • Des Weiteren weist der Kältemittelkreislauf 2a ein Ventil 15, auch als zweites Absperrventil 15 bezeichnet auf, welches zwischen der Abzweigstelle 10 des ersten Strömungspfades 9 und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordnet ist. Die insbesondere als ein T-Stück ausgebildete Abzweigstelle 10 stellt mit dem ersten Absperrventil 12 und dem zweiten Absperrventil 15 eine Ventilanordnung dar, welche alternativ auch als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet sein kann.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a ist zudem mit einem zweiten Strömungspfad 16 ausgebildet, welcher sich ausgehend von einer Verbindungsstelle 17a bis zu einer Mündungsstelle 18 erstreckt. Die Verbindungsstelle 17a ist dabei zwischen dem zweiten Absperrventil 15 und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordnet. Die Mündungsstelle 18 des zweiten Strömungspfades 16 ist zwischen dem inneren Wärmeübertrager 7, speziell dem Auslass der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7, und dem Akkumulator 8 ausgebildet. Innerhalb des zweiten Strömungspfades 16 ist ein Ventil 19, im Weiteren auch als drittes Absperrventil 19 bezeichnet, angeordnet.
  • Dem inneren Wärmeübertrager 7 ist auf der Niederdruckseite in Strömungsrichtung des Kältemittels ein Ventil 20, im Weiteren auch als viertes Absperrventil 20 bezeichnet, vorgelagert. Das Ventil 20 ist folglich direkt vor dem Einlass der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 und damit zwischen der Verbindungsstelle 11 des ersten Strömungspfades 9 und dem inneren Wärmeübertrager 7 angeordnet.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a weist zudem einen dritten Strömungspfad 21 auf, welcher sich zwischen einer Abzweigstelle 22 und der Verbindungsstelle 17a erstreckt. Die Abzweigstelle 22 ist dabei innerhalb des ersten Strömungspfades 9, zwischen dem inneren Wärmeübertrager 7 und dem zweiten Expansionsorgan 14 angeordnet. Innerhalb des dritten Strömungspfades 21 ist ein Ventil 23, im Weiteren auch als fünftes Absperrventil 23 bezeichnet, angeordnet.
  • Beim Beschreiben des Betreibens eines Kältemittelkreislaufs sind die Strömungsrichtungen der Massenströme des Kältemittels jeweils mit Pfeilen angegeben. Die jeweiligen mit Kältemittel beaufschlagten Strömungspfade sind anhand stärkerer Linien gekennzeichnet als die nicht mit Kältemittel beaufschlagten Strömungspfade.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft des Fahrgastraums gemäß 2a wird das Kältemittel im Verdichter 3 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Kältemittel zudem Wärme aufnimmt. Anschließend strömt das Kältemittel durch das geöffnete zweite Absperrventil 15 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, wobei im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen wird. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird in Strömungsrichtung 25 mit Umgebungsluft beaufschlagt. Das erste Absperrventil 12 des ersten Strömungspfades 9 und damit der erste Strömungspfad 9 sind geschlossen.
  • Nach dem Austreten aus dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird das Kältemittel im ersten Expansionsorgan 5 auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 nimmt das Kältemittel beim Verdampfen Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum auf, bevor das Kältemittel an der Verbindungsstelle 11 zum inneren Wärmeübertrager 7 geleitet wird. Das Absperrventil 20 ist geöffnet. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 wird in Strömungsrichtung 24 mit der Zuluft für den Fahrgastraum beaufschlagt. Da der erste Strömungspfad 9 nicht von Kältemittel durchströmt wird, ist der innere Wärmeübertrager 7 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Kälteanlagenmodus nicht aktiv. Im inneren Wärmeübertrager 7 wird keine Wärme übertragen. Das Kältemittel strömt nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 7 in den Akkumulator 8 und wird anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 3 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2a ist geschlossen. Das dritte Absperrventil 19 des zweiten Strömungspfades 16 und damit der zweite Strömungspfad 16 sind geschlossen.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums gemäß 2b wird das Kältemittel im Verdichter 3 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Kältemittel zudem Wärme aufnimmt. Anschließend strömt das Kältemittel durch das geöffnete erste Absperrventil 12 des ersten Strömungspfades 9 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13, wobei im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird. Die Wärme wird in einem nicht dargestellten Heizwärmeübertrager beziehungsweise Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen. Der Heizwärmeübertrager ist dabei in Strömungsrichtung 24 der Zuluft im Klimagerät nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 angeordnet. Das zweite Absperrventil 15 ist geschlossen. Nach dem Austreten aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 wird das Kältemittel durch die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 geleitet, wobei das Kältemittel Wärme abgibt. Anschließend strömt das Kältemittel zur Abzweigstelle 22 und wird durch das geöffnete Absperrventil 23 sowie den dritten Strömungspfad 21 zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 geleitet. Das zweite Expansionsorgan 14 ist geschlossen. Darauffolgend strömt das Kältemittel unter Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, welcher in Strömungsrichtung 25 mit Umgebungsluft beaufschlagt wird. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 und der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 sind in Reihe beziehungsweise seriell zueinander von Kältemittel durchströmbar angeordnet. Nach dem Austreten aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird das Kältemittel im ersten Expansionsorgan 5 auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 nimmt das Kältemittel beim Verdampfen Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum auf, bevor das Kältemittel an der Verbindungsstelle 11 zum inneren Wärmeübertrager 7 geleitet wird. Das Absperrventil 20 ist geöffnet. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 wird in Strömungsrichtung 24 mit der Zuluft für den Fahrgastraum beaufschlagt, welche abgekühlt und/oder entfeuchtet wird. Beim anschließenden Überströmen des nicht dargestellten Heizwärmeübertragers des Kühlmittelkreislaufs wird die Zuluft erwärmt.
  • Da der erste Strömungspfad 9 von Kältemittel durchströmt wird, ist der innere Wärmeübertrager 7 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Nachheizmodus aktiv. Dabei wird einerseits das durch den ersten Strömungspfad 9 strömende Kältemittel abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter 3 überhitzt. Das niederdruckseitig aus dem inneren Wärmeübertrager 7 ausströmende Kältemittel wird in den Akkumulator 8 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 3 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2a ist geschlossen. Das dritte Absperrventil 19 des zweiten Strömungspfades 16 und damit der zweite Strömungspfad 16 sind geschlossen.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a wird im Nachheizmodus betrieben, wenn die anfallende Abwärme des Kältemittelkreislaufs 2a größer ist, als die notwendige Heizleistung für die Zuluft des Fahrgastraums und um die Zuluft für den Fahrgastraum zu entfeuchten sowie anschließend mittels des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers auf ein komfortables Temperaturniveau zu erwärmen. Dabei werden die bekannten Vorteile des inneren Wärmeübertragers 7 genutzt.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums gemäß 2c wird das Kältemittel im Verdichter 3 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Kältemittel zudem Wärme aufnimmt. Anschließend strömt das Kältemittel durch das geöffnete erste Absperrventil 12 durch den ersten Strömungspfad 9 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13, wobei im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen wird. Die Wärme kann in dem nicht dargestellten Heizwärmeübertrager an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen werden. Das zweite Absperrventil 15 ist geschlossen.
  • Nach dem Austreten aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 wird das Kältemittel durch den inneren Wärmeübertrager 7 geleitet. Anschließend strömt das Kältemittel durch das voll geöffnete zweite Expansionsorgan 14 zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6. Beim Durchströmen des voll geöffneten zweiten Expansionsorgans 14 erfährt das Kältemittel keine Druckänderung und strömt auf Hochdruckniveau in den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 ein. Das Absperrventil 23 des dritten Strömungspfades 21 und damit der dritte Strömungspfad 21 sind geschlossen.
  • Da das dem inneren Wärmeübertrager 7 vorgelagerte vierte Absperrventil 20 ebenfalls geschlossen ist, wird der innere Wärmeübertrager 7 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Wärmepumpenmodus nicht von Kältemittel durchströmt und ist nicht aktiv. Im inneren Wärmeübertrager 7 wird keine Wärme übertragen.
  • Das Kältemittel strömt auf Hochdruckniveau zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6, wobei im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 Wärme vom Kältemittel an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 wird in Strömungsrichtung 24 mit Zuluft beaufschlagt. Die Zuluft für den Fahrgastraum wird erwärmt beziehungsweise vorgeheizt.
  • Nach dem Austreten aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird das Kältemittel im ersten Expansionsorgan 5 auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4 nimmt das Kältemittel beim Verdampfen Wärme aus der Umgebungsluft als Wärmequelle auf, bevor das Kältemittel an der Verbindungsstelle 17a durch den zweiten Strömungspfad 16 zum Akkumulator 8 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 3 angesaugt wird. Der Kältemittelkreislauf 2a ist geschlossen. Das dritte Absperrventil 19 des zweiten Strömungspfades 16 ist geöffnet.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a wird bei geringen Temperaturen der Umgebungsluft im Wärmepumpenmodus betrieben, um die Zuluft für den Fahrgastraum mittels des als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 und des Heizwärmeübertragers ausschließlich zu erwärmen nachdem der Fahrgastraum bereits aufgeheizt ist und das gesamte Klimatisierungssystem 1a lediglich geringere Anforderungen an die Heizleistung, beispielsweise im Gegensatz zu einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs, aufweist.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a kann auch in einem sogenannten Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums gemäß 2c betrieben werden. Dabei wird das Kältemittel im Verdichter 3 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Kältemittel zudem Wärme aufnimmt. Anschließend strömt das Kältemittel durch das geöffnete erste Absperrventil 12 durch den ersten Strömungspfad 9 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13, wobei im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen wird. Die Wärme wird in dem nicht dargestellten Heizwärmeübertrager an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen. Das zweite Absperrventil 15 ist geschlossen. Nach dem Austreten aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 wird das Kältemittel durch den inneren Wärmeübertrager 7 geleitet. Anschließend strömt das Kältemittel durch das zweite Expansionsorgan 14 zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6. Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 14 wird das Kältemittel auf ein Mitteldruckniveau entspannt und strömt auf dem Mitteldruckniveau in den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 ein. Das Absperrventil 23 des dritten Strömungspfades 21 und damit der dritte Strömungspfad 21 sind geschlossen.
  • Da das dem inneren Wärmeübertrager 7 vorgelagerte vierte Absperrventil 20 ebenfalls geschlossen ist, wird der innere Wärmeübertrager 7 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Nacheizmodus/Wärmepumpenmodus nicht von Kältemittel durchströmt und ist nicht aktiv. Im inneren Wärmeübertrager 7 wird keine Wärme übertragen.
  • Das Kältemittel strömt auf Mitteldruckniveau zum als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6, wobei das Kältemittel im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 unter Aufnahme von Wärme verdampft. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 wird in Strömungsrichtung 24 mit Zuluft beaufschlagt. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 wird in Strömungsrichtung 24 mit der Zuluft für den Fahrgastraum beaufschlagt, welche abgekühlt und/oder entfeuchtet wird. Beim anschließenden Überströmen des nicht dargestellten Heizwärmeübertragers des Kühlmittelkreislaufs wird die Zuluft erwärmt.
  • Nach dem Austreten aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird das Kältemittel im ersten Expansionsorgan 5 auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4 nimmt das Kältemittel beim Verdampfen Wärme aus der Umgebungsluft als weitere Wärmequelle auf, bevor das Kältemittel an der Verbindungsstelle 17a durch den zweiten Strömungspfad 16 zum Akkumulator 8 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 3 angesaugt wird. Der Kältemittelkreislauf 2a ist geschlossen. Das dritte Absperrventil 19 des zweiten Strömungspfades 16 ist geöffnet.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a wird im Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus betrieben, wenn die notwendige Heizleistung für die Zuluft des Fahrgastraums größer ist, als die anfallende Abwärme des Kältemittelkreislaufs 2a, sodass zusätzliche Wärme aus der Umgebungsluft aufzunehmen ist und um die Zuluft für den Fahrgastraum zu entfeuchten sowie anschließend mittels des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers auf ein komfortables Temperaturniveau zu erwärmen.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Heißgasmodus zum schnellen Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft gemäß 2d wird das Kältemittel im Verdichter 3 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Kältemittel zudem Wärme aufnimmt. Anschließend strömt das Kältemittel durch das geöffnete erste Absperrventil 12 und den ersten Strömungspfad 9 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13, wobei im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen wird. Die Wärme wird in dem nicht dargestellten Heizwärmeübertrager beziehungsweise Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen. Das zweite Absperrventil 15 ist geschlossen.
  • Nach dem Austreten aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 wird das Kältemittel durch die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 geleitet, wobei das Kältemittel Wärme abgibt. Anschließend strömt das Kältemittel zum zweiten Expansionsorgan 14. Das Absperrventil 23 des dritten Strömungspfades 21 und damit der dritte Strömungspfad 21 sowie das erste Expansionsorgan 5 sind geschlossen. Sowohl der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 als auch der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 werden nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 7 wird das Kältemittel im zweiten Expansionsorgan 14 auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck in das Zwei-Phasengebiet aus Flüssigkeit und Dampf entspannt. Beim anschließenden Durchströmen der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 nimmt das Kältemittel bei der Verdampfung Wärme auf. Da der erste Strömungspfad 9 von Kältemittel durchströmt wird, ist der innere Wärmeübertrager 7 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a im Heißgasmodus aktiv. Dabei wird einerseits das durch den ersten Strömungspfad 9 strömende Kältemittel abgekühlt, das heißt je nach unterkritischem beziehungsweise überkritischem Betrieb zumindest teilweise enthitzt und/oder kondensiert beziehungsweise gekühlt, und andererseits je nach Austrittszustand aus dem Expansionsventil zumindest verdampft und/oder als Sauggas vor dem Verdichter 3 überhitzt. Das niederdruckseitig aus dem inneren Wärmeübertrager 7 ausströmende Kältemittel wird in den Akkumulator 8 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 3 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2a ist geschlossen. Das dritte Absperrventil 19 des zweiten Strömungspfades 16 und damit der zweite Strömungspfad 16 sind geschlossen.
  • Die Zustandsänderungen sind in 1b anhand des log p-h-Diagramms eines transkritischen Prozesses dargestellt. Mit dem Verdichter 3 wird das Druckniveau des Kältemittels vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau erhöht A, wobei das Kältemittel die im Verdichter entstehende Wärme aufnimmt und das Kältemittel überkritisch vorliegt. Beim Durchströmen des in Strömungsrichtung dem Verdichter 3 nachfolgend angeordneten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 13 wird die Wärme auf einem Hochdruckniveau an das Kühlmittel B und vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen. Nach der Wärmeabgabe an das Kühlmittel B strömt das Kältemittel durch die Hochdruckseite HD des inneren Wärmeübertragers 7 und wird weiter abgekühlt D1. Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 7 wird das Kältemittel im Expansionsorgan 14 auf das Niederdruckniveau expandiert C. Anschließend strömt das Kältemittel durch die Niederdruckseite ND des inneren Wärmeübertragers 7 und nimmt beim Verdampfen Wärme von der Hochdruckseite HD des inneren Wärmeübertragers 7 auf D2. Das gasförmige Kältemittel wird vom Verdichter 3 angesaugt.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a wird bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft im Heißgasmodus betrieben, um eine hohe Heizleistung bereitzustellen und damit den Fahrgastraum in sehr kurzer Zeit auf ein komfortables Temperaturniveau aufzuheizen.
  • Mit dem Kältemittelkreislauf 2a mit Wärmepumpenfunktionalität kann der Betrieb im erweiterten Heißgasmodus gemäß 2d vorteilhaft genutzt werden, um bei Bedarf die Leistung zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum deutlich über die Heizleistung beim Betrieb im reinen Wärmepumpenmodus gemäß 2c zu erhöhen. Insbesondere bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft kann die Zuluft für den Fahrgastraum in sehr kurzer Zeit auf eine für die Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend ausreichende Temperatur erwärmt werden. Der Kältemittelkreislauf 2a weist ein Minimum an Komponenten, insbesondere Ventilen und Wärmeübertragern, auf und ist universal einsetzbar. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass ein in bekannten verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen genutztes Klimagerät beziehungsweise eine Luftverteilungseinheit verwendbar ist, da neben dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und dem nicht dargestellten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager keine zusätzlichen Wärmeübertrager im Klimagerät zu integrieren sind.
  • In den 3a bis 3d ist ein Klimatisierungssystem 1b mit einem Kältemittelkreislauf 2b dargestellt. Der Kältemittelkreislauf 2b weist wiederum den Verdichter 3, den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, das erste Expansionsorgan 5, den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie den inneren Wärmeübertrager 7 und den Akkumulator 8 zum Abscheiden und Sammeln von Kältemittelflüssigkeit auf. Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, 6 und das erste Expansionsorgan 5 sind bidirektional von Kältemittel durchströmbar. Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, 6 können jeweils als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler für das Kältemittel betrieben werden.
  • Der Kältemittelkreislauf 2b weist zudem den ersten Strömungspfad 9 und den zweiten Strömungspfad 16 mit den jeweiligen innerhalb der Strömungspfade 9, 16 angeordneten Komponenten auf, wobei sich der zweite Strömungspfad 16 von einer Verbindungsstelle 17b bis zur Mündungsstelle 18 erstreckt. Die Verbindungsstelle 17b ist zwischen dem zweiten Absperrventil 15 und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordnet, sodass die Strömungspfade 9, 16 des Kältemittelkreislaufs 2b den Strömungspfaden 9, 16 des Kältemittelkreislaufs 2a aus den 2a bis 2d entsprechen.
  • Dem inneren Wärmeübertrager 7 ist auf der Niederdruckseite in Strömungsrichtung des Kältemittels das Ventil 20 als viertes Absperrventil des Kältemittelkreislaufs 2b vorgelagert.
  • Im Unterschied zum Kältemittelkreislauf 2a aus den 2a bis 2d weist der Kältemittelkreislauf 2b einen abweichenden dritten Strömungspfad 26 sowie einen vierten Strömungspfad 30 auf. Der dritte Strömungspfad 26 erstreckt sich zwischen einer Abzweigstelle 27 und einer Mündungsstelle 28, wobei die Abzweigstelle 27 zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 und dem ersten Expansionsorgan 5 angeordnet ist. Die Mündungsstelle 28 des dritten Strömungspfades 26 ist innerhalb des ersten Strömungspfades 9 zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 und dem inneren Wärmeübertrager 7 ausgebildet. Innerhalb des dritten Strömungspfades 26 ist ein Rückschlagelement 29, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet. Der vierte Strömungspfad 30 erstreckt sich zwischen einer Abzweigstelle 31 und einer Mündungsstelle 32, wobei die Abzweigstelle 31 zwischen dem ersten Expansionsorgan 5 und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 angeordnet ist. Die Mündungsstelle 32 ist zwischen dem inneren Wärmeübertrager 7 und dem dem inneren Wärmeübertrager 7 vorgelagerten Absperrventil 20 ausgebildet. Innerhalb des vierten Strömungspfades 30 ist ein ein Ventil 33, im Weiteren auch als fünftes Absperrventil 33 bezeichnet, angeordnet.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2b im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft des Fahrgastraums gemäß 3a wird das Kältemittel im Verdichter 3 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Kältemittel zudem Wärme aufnimmt. Anschließend strömt das Kältemittel durch das geöffnete zweite Absperrventil 15 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, wobei im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen wird. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird in Strömungsrichtung 25 mit Umgebungsluft beaufschlagt. Das erste Absperrventil 12 des ersten Strömungspfades 9 ist geschlossen.
  • Nach dem Austreten aus dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird das Kältemittel an der Abzweigstelle 27 beginnend durch den dritten Strömungspfad 26 zur Mündungsstelle 28 in den ersten Strömungspfad 9 geleitet. Das erste Expansionsorgan 5 ist geschlossen. Anschließend strömt das Kältemittel durch die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7, wobei das Kältemittel Wärme abgibt.
  • Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 7 strömt das Kältemittel zum zweiten Expansionsorgan 14 und wird im zweiten Expansionsorgan 14 auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 nimmt das Kältemittel beim Verdampfen Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum auf, bevor das Kältemittel an der Abzweigstelle 31 durch den vierten Strömungspfad 30 zum inneren Wärmeübertrager 7 geleitet wird. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 wird in Strömungsrichtung 24 mit der Zuluft für den Fahrgastraum beaufschlagt. Das Absperrventil 33 des vierten Strömungspfades 30 ist geöffnet. Das Absperrventil 20 ist geschlossen.
  • Da der erste Strömungspfad 9 zwischen der Mündungsstelle 28 und der Verbindungsstelle 11 von Kältemittel durchströmt wird, ist der innere Wärmeübertrager 7 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2b im Kälteanlagenmodus aktiv. Dabei wird einerseits das durch den ersten Strömungspfad 9 strömende Kältemittel abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter 3 überhitzt. Das niederdruckseitig aus dem inneren Wärmeübertrager 7 ausströmende Kältemittel wird in den Akkumulator 8 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 3 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2b ist geschlossen. Das dritte Absperrventil 19 des zweiten Strömungspfades 16 und damit der zweite Strömungspfad 16 sind geschlossen.
  • Beim Kältemittelkreislauf 2b wird auch beim Betrieb im Kälteanlagenmodus der innere Wärmeübertrager 7 zur Wärmeübertragung genutzt, wodurch die nutzbare Enthalpiedifferenz bei der Verdampfung im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 erhöht wird, was bei gleicher Nutzleistung der Verdampfung einen reduzierten Massenstrom des Kältemittels und ein Erhöhen der Effizienz des Klimatisierungsystems 1b bewirkt.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2b im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums gemäß 3b wird das Kältemittel im Verdichter 3 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Kältemittel zudem Wärme aufnimmt. Anschließend wird das Kältemittel an der Abzweigstelle 10 in einen ersten und einen zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom des Kältemittels durch das geöffnete erste Absperrventil 12 des ersten Strömungspfades 9 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 strömt. Im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 wird Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen, welche in einem nicht dargestellten Heizwärmeübertrager beziehungsweise Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die Zuluft für den Fahrgastraum abgegeben wird. Der Heizwärmeübertrager ist dabei in Strömungsrichtung 24 der Zuluft im Klimagerät nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 angeordnet.
  • Der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels strömt durch das geöffnete zweite Absperrventil 15 zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, wobei im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen wird. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird in Strömungsrichtung 25 mit Umgebungsluft beaufschlagt.
  • Nach dem Austreten aus dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 wird der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle 27 beginnend durch den dritten Strömungspfad 26 zur Mündungsstelle 28 in den ersten Strömungspfad 9 geleitet. Das erste Expansionsorgan 5 ist geschlossen. An der Mündungsstelle 28 werden die parallel durch den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 und den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 geleiteten Teilmassenströme des Kältemittels wieder vermischt. Anschließend strömt das Kältemittel durch die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7, wobei das Kältemittel Wärme abgibt.
  • Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 7 strömt das Kältemittel zum zweiten Expansionsorgan 14 und wird im zweiten Expansionsorgan 14 auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 nimmt das Kältemittel beim Verdampfen Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum auf, bevor das Kältemittel an der Abzweigstelle 31 durch den vierten Strömungspfad 30 zum inneren Wärmeübertrager 7 geleitet wird. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 wird in Strömungsrichtung 24 mit der Zuluft für den Fahrgastraum beaufschlagt, welche abgekühlt und/oder entfeuchtet wird. Beim anschließenden Überströmen des nicht dargestellten Heizwärmeübertragers des Kühlmittelkreislaufs wird die Zuluft erwärmt.
  • Das Absperrventil 33 des vierten Strömungspfades 30 ist geöffnet. Das Absperrventil 20 ist geschlossen.
  • Da der erste Strömungspfad 9 zwischen der Mündungsstelle 28 und der Verbindungsstelle 11 von Kältemittel durchströmt wird, ist der innere Wärmeübertrager 7 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2b aktiv. Dabei wird einerseits das durch den ersten Strömungspfad 9 strömende Kältemittel abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter 3 überhitzt. Das niederdruckseitig aus dem inneren Wärmeübertrager 7 ausströmende Kältemittel wird in den Akkumulator 8 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 3 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2b ist geschlossen. Das dritte Absperrventil 19 des zweiten Strömungspfades 16 und damit der zweite Strömungspfad 16 sind geschlossen.
  • Der Kältemittelkreislauf 2b wird im Nachheizmodus betrieben, wenn die anfallende Abwärme des Kältemittelkreislaufs 2b größer ist, als die notwendige Heizleistung für die Zuluft des Fahrgastraums und um die Zuluft für den Fahrgastraum zu entfeuchten sowie anschließend mittels des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers auf ein komfortables Temperaturniveau zu erwärmen. Dabei werden die bekannten Vorteile des inneren Wärmeübertragers 7 genutzt. Zudem lässt sich die Verteilung der Leistungen auf den kühlmittelgekühlten Wärmeübertrager 13 und den umgebungsluftgekühlten Wärmeübertrager 4 infolge der parallelen Durchströmung beider Wärmeübertrager 4, 13 besser regeln als bei einer seriellen Durchströmung beider Wärmeübertrager 4, 13 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a gemäß 2b.
  • Die Betriebe des Kältemittelkreislaufs 2b im Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums und im sogenannten Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums gemäß 3c sowie im Heißgasmodus zum schnellen Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft gemäß 3d entsprechen jeweils den Betrieben des Kältemittelkreislaufs 2a im Wärmepumpenmodus und im sogenannten Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus gemäß 2c sowie im Heißgasmodus gemäß 2d, sodass auf die jeweiligen Ausführungen zu 2c und 2d verwiesen wird.
  • Da jeweils die Absperrventile 23, 33 der dritten Strömungspfade 21, 26 geschlossen sind und damit die dritten Strömungspfade 21, 26 sowie der vierte Strömungspfad 30 des Kältemittelkreislaufs 2b, welche die Unterschiede der Kältemittelkreisläufe 2a, 2b beschreiben, nicht mit Kältemittel beaufschlagt werden, sind die Betriebsweisen der Kältemittelkreisläufe 2a, 2b im Wärmepumpenmodus und im sogenannten Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus sowie im Heißgasmodus gleich.
  • Mit dem Kältemittelkreislauf 2b mit Wärmepumpenfunktionalität kann der Betrieb im erweiterten Heißgasmodus gemäß 3d vorteilhaft genutzt werden, um bei Bedarf die Leistung zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum deutlich über die Heizleistung beim Betrieb im reinen Wärmepumpenmodus gemäß 3c zu erhöhen. Insbesondere bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft kann die Zuluft für den Fahrgastraum in sehr kurzer Zeit auf eine für die Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend ausreichende Temperatur erwärmt werden. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass ein in bekannten verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen genutztes Klimagerät beziehungsweise eine Luftverteilungseinheit verwendbar ist, da neben dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und dem nicht dargestellten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager keine zusätzlichen Wärmeübertrager im Klimagerät zu integrieren sind.
  • Mit dem Klimatisierungssystem 1b wird im Vergleich zum Klimatisierungssystem 1a gemäß der 2a bis 2d auch beim Betrieb im Kälteanlagenmodus, siehe 3a, auch der innere Wärmeübertrager 7 zur Wärmeübertragung genutzt.
  • Die 4a bis 4d zeigen ein Klimatisierungssystem 1c mit einem Kältemittelkreislauf 2c. Der Kältemittelkreislauf 2c ist im Unterschied zum Kältemittelkreislauf 2b des Klimatisierungssystems 1b aus den 3a bis 3d mit einem saugdruckseitig angeordneten zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 ausgebildet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 ist dabei insbesondere parallel zur Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 mit Kältemittel beaufschlagbar.
  • Der einerseits vom Kältemittel und andererseits vom Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs des Antriebsstranges, beispielsweise eines Verbrennungsmotors oder eines Elektromotors, der Fahrzeugelektronik oder der Traktionsbatterie, durchströmte Wärmeübertrager 38, wird kältemittelseitig als Verdampfer betrieben, sodass je nach Betriebsmodus des Klimatisierungssystems 1c Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird. Der Wärmeübertrager 38 wird auch als Chiller bezeichnet. Der Kältemittelkreislauf 2c weist im Unterschied zum Kältemittelkreislauf 2b neben dem ersten Strömungspfad 9, dem zweiten Strömungspfad 16, dem dritten Strömungspfad 26 sowie dem vierten Strömungspfad 30 auch einen fünften Strömungspfad 34 auf. Der fünfte Strömungspfad 34 erstreckt sich zwischen einer Abzweigstelle 35 und einer Mündungsstelle 36, wobei die Abzweigstelle 35 zwischen der Verbindungsstelle 11 des ersten Strömungspfades 9 und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 angeordnet ist. Die Mündungsstelle 36 des fünften Strömungspfades 34 ist zwischen der Mündungsstelle 18 des zweiten Strömungspfades 16 und dem Akkumulator 8 ausgebildet. Innerhalb des fünften Strömungspfades 34 ist ein drittes Expansionsorgan 37 angeordnet, welches in Strömungsrichtung des Kältemittels dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 vorgelagert ist.
  • Der fünfte Strömungspfad 34 ist damit parallel zum Abschnitt des Kältemittelkreislaufs 2c angeordnet, welcher sich von der Verbindungsstelle 11 bis zur Mündungsstelle 18 erstreckt und mit dem inneren Wärmeübertrager 7, speziell dem hochdruckseitigen Bereich des inneren Wärmeübertragers 7, und dem vorgelagerten Ventil 20 ausgebildet ist.
  • Im Hinblick auf die Ausbildung und die Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs 2c mit fünftem Strömungspfad 34 und zweitem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 wird auf die Ausführungen zum Kältemittelkreislauf 2b der 3a bis 3d verwiesen.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2c im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft des Fahrgastraums, gemäß 4a, und im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums, gemäß 4b, wird insbesondere das auf Niederdruckniveau vorliegende Kältemittel an der Abzweigstelle 35 des fünften Strömungspfades 34 in einen ersten Teilmassenstrom durch den fünften Strömungspfad 34 und einen zweiten Teilmassenstrom durch den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 sowie die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 aufgeteilt. Das dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 vorgelagerte dritte Expansionsorgan 37 ist voll geöffnet, sodass das durch das Expansionsorgan 37 hindurchströmende Kältemittel keine Druckänderung erfährt. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 36 des fünften Strömungspfades 34 wieder vermischt und in den Akkumulator 8 eingeleitet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 wird parallel zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 mit Kältemittel beaufschlagt, wobei der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 nacheinander mit Kältemittel durchströmt werden.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2c im Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums und im sogenannten Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums, gemäß 4c, wird insbesondere das Kältemittel an der Abzweigstelle 35 des fünften Strömungspfades 34 in einen ersten Teilmassenstrom durch den fünften Strömungspfad 34 und einen zweiten Teilmassenstrom durch den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 sowie den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 aufgeteilt. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2c im Wärmepumpenmodus liegt das Kältemittel an der Abzweigstelle 35 auf Hochdruckniveau vor, während das Kältemittel beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2c im sogenannten Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus an der Abzweigstelle 35 auf Mitteldruckniveau vorliegt. In dem dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 vorgelagerten dritten Expansionsorgan 37 und dem ersten Expansionsorgan 5 wird das Kältemittel jeweils auf Niederdruckniveau entspannt. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 36 des fünften Strömungspfades 34 wieder vermischt und in den Akkumulator 8 eingeleitet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 wird parallel zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 mit Kältemittel beaufschlagt, wobei der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 nacheinander mit Kältemittel durchströmt werden.
  • Wenn im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 lediglich eine derart geringe Wärmemenge an das Kühlmittel übertragen wird, dass das Kältemittel am Austritt aus dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 einen Zustand aufweist, welcher auch dem Austrittszustand des Kältemittels auf der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 entspricht, nach welchem der Zustand des Kältemittels nach der Expansion im dritten Expansionsorgan 37 nicht im Zwei-Phasengebiet liegt, kann auch im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 lediglich eine geringe Wärmemenge an das Kältemittel übertragen werden. Mit der Ausbildung des ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 13, des nicht dargestellten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers im Klimagerät und der Regelung des Kühlmittelmassenstroms durch den Kühlmittelkreislauf, mit welchem sowohl der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 als auch der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager beaufschlagt werden, wird die Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 derart beeinflusst, dass das Kältemittel am Austritt des ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 13 einen Zustand aufweist, nach welchem der Zustand des Kältemittels nach der Expansion im dritten Expansionsorgan 37 im Zwei-Phasengebiet liegt. Dabei ist es erforderlich, den Kühlmittelmassenstrom derart einzustellen, dass die Temperatur der Zuluft des Fahrgastraums im nicht dargestellten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf das nötige Temperaturniveau aber nicht darüber hinaus angehoben wird. Damit ist die Temperatur des Kühlmittels am Eintritt in den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 derart gering, dass die Wärmeübertragung im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 13 zu Austrittszuständen des Kältemittels mit derart geringen Enthalpiewerten führt, sodass der Zustand des Kältemittels nach der Expansion im dritten Expansionsorgan 37 im Zwei-Phasengebiet liegt.
  • Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2c im Heißgasmodus zum schnellen Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft, gemäß 4d, wird insbesondere das auf Niederdruckniveau vorliegende Kältemittel an der Verbindungsstelle 11 des ersten Strömungspfades 9 in einen ersten Teilmassenstrom durch den fünften Strömungspfad 34 und einen zweiten Teilmassenstrom durch die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 aufgeteilt. Das dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 vorgelagerte dritte Expansionsorgan 37 ist voll geöffnet, sodass das durch das Expansionsorgan 37 hindurchströmende Kältemittel keine Druckänderung erfährt. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 36 des fünften Strömungspfades 34 wieder vermischt und in den Akkumulator 8 eingeleitet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 wird parallel zur Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Mit dem Klimatisierungssystem 1c kann im Vergleich zum Klimatisierungssystem 1b gemäß der 3a bis 3d beim Betrieb in jedem Modus im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 zusätzlich ein Kühlmittel gekühlt werden, um damit beispielsweise Komponenten eines Antriebsstranges, beispielsweise einen Elektromotor, Fahrzeugelektronik oder eine Traktionsfahrbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, zu kühlen.
  • Zudem kann die beim Betrieb im Heißgasmodus im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 aus dem Kühlmittelkreislauf aufgenommene Wärme genutzt werden, die Heizleistung für die Zuluft des Fahrgastraums zu erhöhen. Das durch den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 38 geleitete Kühlmittel dient dabei als weitere Wärmequelle im Heißgasmodus.
  • Der Kältemittelkreislauf und die Betriebsmodi sind für jedes Kältemittel verwendbar, welches niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durchläuft. Hochdruckseitig gibt das Medium durch Gaskühlung/Kondensation und Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke ab. Als Kältemittel sind natürliche Stoffe, wie R744, R717 und ähnliche, brennbare Stoffe, wie R290, R600, R600a und ähnliche, chemische Stoffe, wie R134a, R152a, HFO-1234yf, sowie diverse Kältemittelgemische verwendbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1a, 1b, 1c
    Klimatisierungssystem
    2a, 2b, 2c
    Kältemittelkreislauf
    3
    Verdichter
    4
    Wärmeübertrager, erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    5
    erstes Expansionsorgan
    6
    Wärmeübertrager, zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    7
    innerer Wärmeübertrager
    8
    Akkumulator
    9
    erster Strömungspfad
    10
    Abzweigstelle
    11
    Verbindungsstelle
    12
    Ventil, erstes Absperrventil
    13
    Wärmeübertrager, Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    14
    zweites Expansionsorgan
    15
    Ventil, zweites Absperrventil
    16
    zweiter Strömungspfad
    17a, 17b
    Verbindungsstelle
    18
    Mündungsstelle
    19
    Ventil, drittes Absperrventil
    20
    Ventil, viertes Absperrventil
    21
    dritter Strömungspfad Kältemittelkreislauf 2a
    22
    Abzweigstelle
    23
    Ventil, fünftes Absperrventil Kältemittelkreislauf 2a
    24,25
    Strömungsrichtung Luft
    26
    dritter Strömungspfad Kältemittelkreislauf 2b, 2c
    27
    Abzweigstelle
    28
    Mündungsstelle
    29
    Rückschlagelement
    30
    vierter Strömungspfad Kältemittelkreislauf 2b, 2c
    31
    Abzweigstelle
    32
    Mündungsstelle
    33
    Ventil, fünftes Absperrventil Kältemittelkreislauf 2b, 2c
    34
    fünfter Strömungspfad Kältemittelkreislauf 2c
    35
    Abzweigstelle
    36
    Mündungsstelle
    37
    drittes Expansionsorgan
    38
    zweiter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    A, B, C, D1, D2
    Zustandsänderung Kältemittel
    HD
    Hochdruck
    ND
    Niederdruck
    Δh
    Änderung Enthalpie
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006026359 A1 [0008]
    • DE 102012111672 A1 [0008]

Claims (21)

  1. Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b, 2c), aufweisend: - einen Verdichter (3), einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein erstes Expansionsorgan (5) sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum, - einen inneren Wärmeübertrager (7), - einen ersten Strömungspfad (9), welcher sich von einer Abzweigstelle (10) bis zu einer Verbindungsstelle (11) erstreckend ausgebildet ist, wobei die Abzweigstelle (10) an einem Austritt des Verdichters (3) und die Verbindungsstelle (11) zwischen dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) und dem inneren Wärmeübertrager (7) ausgebildet sind, sowie - einen zweiten Strömungspfad (16), welcher sich von einer Verbindungsstelle (17a, 17b) bis zu einer Mündungsstelle (18) erstreckend ausgebildet ist, wobei die Verbindungsstelle (17a, 17b) zwischen der Abzweigstelle (10) und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) und die Mündungsstelle (18) in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter (3) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager (7) einerseits innerhalb des ersten Strömungspfades (9) und andererseits zwischen der Verbindungsstelle (11) des ersten Strömungspfades (9) und der Mündungsstelle (18) des zweiten Strömungspfades (16) angeordnet ist.
  2. Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungspfad (9) einen Wärmeübertrager (13) aufweist, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Strömungspfad (9) vor dem inneren Wärmeübertrager (7) angeordnet ist.
  3. Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (13) als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13) eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist, wobei der Kühlmittelkreislauf einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager aufweist, welcher innerhalb eines mit Zuluft für den Fahrgastraum durchströmbaren Klimagerätes angeordnet ist.
  4. Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des ersten Strömungspfades (9) ein zweites Expansionsorgan (14) ausgebildet ist, welches in Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Strömungspfad (9) nach dem inneren Wärmeübertrager (7) angeordnet ist.
  5. Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Strömungspfades (16) ein Ventil (19) angeordnet ist.
  6. Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a, 2b, 2c) ein Ventil (15) aufweist, welches zwischen der Abzweigstelle (10) des ersten Strömungspfades (9) und der Verbindungsstelle (17a, 17b) des zweiten Strömungspfades (16) angeordnet ist.
  7. Klimatisierungssystem (1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a, 2b, 2c) ein Ventil (20) aufweist, welches zwischen der Verbindungsstelle (11) des ersten Strömungspfades (9) und dem inneren Wärmeübertrager (7) angeordnet ist.
  8. Klimatisierungssystem (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a) einen dritten Strömungspfad (21) aufweist, welcher sich von einer Abzweigstelle (22) bis zur Verbindungsstelle (17a) erstreckend ausgebildet ist, wobei die Abzweigstelle (22) innerhalb des ersten Strömungspfades (9) in Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Strömungspfad (9) nach dem inneren Wärmeübertrager (7) ausgebildet ist.
  9. Klimatisierungssystem (1a) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des dritten Strömungspfades (21) ein Ventil (23) angeordnet ist.
  10. Klimatisierungssystem (1b, 1c) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2b, 2c) - einen dritten Strömungspfad (26) aufweist, welcher sich von einer Abzweigstelle (27) bis zu einer Mündungsstelle (28) erstreckend ausgebildet ist, wobei die Abzweigstelle (27) zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) und dem ersten Expansionsorgan (5) und die Mündungsstelle (28) innerhalb des ersten Strömungspfades (9) zwischen dem Wärmeübertrager (13) und dem inneren Wärmeübertrager (7) ausgebildet sind, sowie - einen vierten Strömungspfad (30) aufweist, welcher sich von einer Abzweigstelle (31) bis zu einer Mündungsstelle (32) erstreckend ausgebildet ist, wobei die Abzweigstelle (31) zwischen dem ersten Expansionsorgan (5) und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) und die Mündungsstelle (32) zwischen dem inneren Wärmeübertrager (7) und der Verbindungsstelle (11) des ersten Strömungspfades (9) ausgebildet sind.
  11. Klimatisierungssystem (1b, 1c) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des vierten Strömungspfades (30) ein Ventil (33) angeordnet ist.
  12. Klimatisierungssystem (1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2c) einen Strömungspfad (34) aufweist, welcher sich von einer Abzweigstelle (35) bis zu einer Mündungsstelle (36) erstreckend ausgebildet ist, wobei die Abzweigstelle (35) zwischen der Verbindungsstelle (11) des ersten Strömungspfades (9) und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) und die Mündungsstelle (36) zwischen der Mündungsstelle (18) des zweiten Strömungspfades (16) und dem Verdichter (3) ausgebildet sind.
  13. Klimatisierungssystem (1c) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (34) einen als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager (38) sowie ein dem Wärmeübertrager (38) vorgelagert angeordnetes Expansionsorgan (37) aufweist.
  14. Klimatisierungssystem (1c) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (38) als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet ist.
  15. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1a) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2a) für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus, in einem Nachheizmodus und in einem Heißgasmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrgastraums nach einem der Ansprüche 3 bis 14, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (2a) im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums, aufweisend folgende Schritte: - Leiten eines aus einem Verdichter (3) ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Strömungspfad (9) und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13), wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird, - Übertragen der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager, - Leiten des aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13) austretenden Kältemittels durch eine Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7), wobei das Kältemittel Wärme abgibt, - Leiten des aus der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7) austretenden Kältemittels durch einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4), wobei Wärme vom Kältemittel an Umgebungsluft übertragen wird, - Leiten des aus dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) austretenden Kältemittels durch ein erstes Expansionsorgan (5), wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, - Leiten des aus dem ersten Expansionsorgan (5) austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6), wobei Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird, - Leiten des aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) austretenden Kältemittels durch eine Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7), wobei das Kältemittel Wärme aufnimmt, und - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter (3).
  16. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1b, 1c) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2b, 2c) für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus, in einem Nachheizmodus und in einem Heißgasmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrgastraums nach einem der Ansprüche 4 bis 14, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (2a) im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums, aufweisend folgende Schritte: - Aufteilen eines aus einem Verdichter (3) ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau in - einen ersten Teilmassenstrom durch einen ersten Strömungspfad (9) sowie einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13), wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird, und - einen zweiten Teilmassenstrom durch einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4), wobei Wärme vom Kältemittel an Umgebungsluft übertragen wird, - Übertragen der vom Kühlmittel im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13) aufgenommenen Wärme an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager, - Vermischen der parallel durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13) und den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) strömenden Teilmassenströme des Kältemittels, - Leiten des vermischten Kältemittels durch eine Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7), wobei das Kältemittel Wärme abgibt, - Leiten des aus dem inneren Wärmeübertrager (7) austretenden Kältemittels durch ein Expansionsorgan (14), wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, - Leiten des aus dem Expansionsorgan (14) austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6), wobei Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird, - Leiten des aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) austretenden Kältemittels durch eine Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7), wobei das Kältemittel Wärme aufnimmt, und - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter (3).
  17. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1b, 1c) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2b, 2c) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (2b, 2c) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Niederdruckniveau entspannte Kältemittel an einer Abzweigstelle (35) in einen ersten Teilmassenstrom durch einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (38) und einen zweiten Teilmassenstrom durch den als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) sowie die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7) aufgeteilt wird, wobei das Kältemittel beim parallelen Durchströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (6) sowie des inneren Wärmeübertragers (7) und des Wärmeübertragers (38) jeweils Wärme aufnimmt, und die Teilmassenströme des Kältemittels vor dem Ansaugen durch den Verdichter (3) vermischt werden.
  18. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1a, 1b, 1c) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b, 2c) für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus, in einem Nachheizmodus und in einem Heißgasmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrgastraums nach einem der Ansprüche 4 bis 14, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (2a, 2b, 2c) im Nachheizmodus/Wärmepumpenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums, aufweisend folgende Schritte: - Leiten eines aus einem Verdichter (3) ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Strömungspfad (9) und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13), wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird, - Übertragen der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager, - Leiten des aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13) austretenden Kältemittels durch ein zweites Expansionsorgan (14), wobei das Kältemittel auf ein Mitteldruckniveau entspannt wird, - Leiten des aus dem zweiten Expansionsorgan (14) austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6), wobei Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird, - Leiten des aus dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) austretenden Kältemittels durch ein erstes Expansionsorgan (5), wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, - Leiten des aus dem ersten Expansionsorgan (5) austretenden Kältemittels durch einen als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4), wobei Wärme von der Umgebungsluft an das Kältemittel übertragen wird, und - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter (3).
  19. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1b, 1c) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2b, 2c) nach Anspruch 13 oder 14, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (2b, 2c) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Mitteldruckniveau entspannte Kältemittel an einer Abzweigstelle (35) in einen ersten Teilmassenstrom durch einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (38) und einen zweiten Teilmassenstrom durch den als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) und den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) aufgeteilt wird, wobei der erste Teilmassenstrom des Kältemittels beim Durchströmen eines Expansionsorgans (37) auf Niederdruckniveau entspannt wird, das Kältemittel beim Durchströmen des Wärmeübertragers (38) Wärme aufnimmt und die Teilmassenströme des Kältemittels vor dem Ansaugen durch den Verdichter (3) vermischt werden.
  20. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1a, 1b, 1c) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b, 2c) für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus, in einem Nachheizmodus und in einem Heißgasmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrgastraums nach einem der Ansprüche 4 bis 14, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (2a, 2b, 2c) im Heißgasmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums, aufweisend folgende Schritte: - Leiten eines aus einem Verdichter (3) ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Strömungspfad (9) und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13), wobei Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen wird, - Übertragen der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum in einem Heizwärmeübertrager, - Leiten des aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (13) austretenden Kältemittels durch eine Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7), wobei das Kältemittel Wärme abgibt, - Leiten des aus dem inneren Wärmeübertrager (7) austretenden Kältemittels durch ein Expansionsorgan (14), wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, - Leiten des aus dem Expansionsorgan (14) austretenden Kältemittels durch eine Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7), wobei das Kältemittel Wärme aufnimmt, und - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter (3).
  21. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1b, 1c) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2b, 2c) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (2b, 2c) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das auf Niederdruckniveau entspannte Kältemittel an einer Abzweigstelle (35) in einen ersten Teilmassenstrom durch einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (38) und einen zweiten Teilmassenstrom durch die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers (7) aufgeteilt wird, wobei das Kältemittel beim parallelen Durchströmen des inneren Wärmeübertragers (7) und des Wärmeübertragers (38) jeweils Wärme aufnimmt, und die Teilmassenströme des Kältemittels vor dem Ansaugen durch den Verdichter (3) vermischt werden.
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